黃 光 偉

(華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院, 廣東 廣州　510640)

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智能建筑系統(tǒng)中數(shù)據(jù)倉庫的優(yōu)化策略研究*

黃 光 偉

(華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院, 廣東 廣州510640)

摘要：智能建筑系統(tǒng)的建立是實現(xiàn)建筑節(jié)能的基礎(chǔ),而數(shù)據(jù)倉庫是保證智能系統(tǒng)運行效率的基礎(chǔ)。介紹了數(shù)據(jù)倉庫的基礎(chǔ)建構(gòu)、內(nèi)容配置、數(shù)據(jù)糾錯等系列步驟。通過加入合理的算法和優(yōu)化的智能策略,加強了數(shù)據(jù)倉庫的糾錯能力,從源端預(yù)防并排除可能的錯誤數(shù)據(jù),確保了基于各類算法和多子系統(tǒng)模型分析結(jié)果的建筑用能設(shè)備的調(diào)度、運維、管理和節(jié)能成為可能。試驗結(jié)果證明了優(yōu)化策略的有效性。

關(guān)鍵詞：智能建筑; 數(shù)據(jù)倉庫; 優(yōu)化策略; 修復(fù)算法

0引言

隨著通信、計算機和自動控制技術(shù)的發(fā)展及其在建筑藝術(shù)中的運用,智能建筑的概念逐漸深入人心。智能建筑是指通過將建筑物的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)、管理四項基本要素以及它們的內(nèi)在聯(lián)系進行重構(gòu)組合,通過最優(yōu)化設(shè)計形成高效、宜居、便捷而投資合理的建筑空間,對建筑體內(nèi)的供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、空調(diào)暖通系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、門禁管理系統(tǒng)、視頻安防系統(tǒng)和信息發(fā)布系統(tǒng)等實行全面集成與統(tǒng)籌,通過對各個子系統(tǒng)的獨立監(jiān)控和信息采集,以達到聯(lián)動控制、能耗跟蹤、故障診斷的目的,并提出合理的節(jié)能方案,實現(xiàn)資源的最優(yōu)化配置和科學(xué)管理,是一種“主動式”能源管理[1]。智能建筑系統(tǒng)[2]的幾個基本功能的正常運作(能耗數(shù)據(jù)實時收集與存儲、能耗圖表化統(tǒng)計和經(jīng)濟性分析,以及高級算法和用戶管理),建立在底層數(shù)據(jù)倉庫[3-4]的完整性和真實性的技術(shù)基礎(chǔ)上[5]。因此，對于建筑智能化系統(tǒng),數(shù)據(jù)倉庫的管理和研究至關(guān)重要[6]。

1數(shù)據(jù)倉庫的構(gòu)建

數(shù)據(jù)倉庫的搭建,就是建立合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)關(guān)系的過程[7]。設(shè)備是智能建筑系統(tǒng)運作的基本管理單元,物理層面上表現(xiàn)為各類傳感器模塊(如溫度傳感器、濕度傳感器、PM2.5探測器和CO2含量探測器等)和各類控制器,也是建立數(shù)據(jù)倉庫時分配資源的依據(jù)[8-9]。采用Microsoft公司的SQL Server Management Studio 2008建立數(shù)據(jù)倉庫,可保證數(shù)據(jù)的安全性、準(zhǔn)確性和實時性[10-11]。根據(jù)使用功能的差異,對命名為IBMS的數(shù)據(jù)倉庫建立多個數(shù)據(jù)表及其元數(shù)據(jù),記錄相應(yīng)字段的數(shù)據(jù)。

2數(shù)據(jù)獲取與入庫配置

可擴展標(biāo)記語言(Extensible Markup Language,XML)一般用于標(biāo)記電子文件,是結(jié)構(gòu)化的標(biāo)記語言[12]。通過使用基于XML的層層嵌套的數(shù)據(jù)描述方法來標(biāo)記數(shù)據(jù)和定義數(shù)據(jù)類型,可實現(xiàn)對設(shè)備的模塊化、實例化、統(tǒng)一化描述,使分布式結(jié)構(gòu)信息更加易于管理,特別適用于智能建筑的信息化建設(shè)。

XML模型結(jié)構(gòu)主要包含如下基本標(biāo)簽:

(1) 通道。一個通道包含多個設(shè)備,物理層面上的每個通道代表一個通信管理器,且具備獨立地址和端口。

(2) 設(shè)備。一個設(shè)備包含多個群組,物理層面上的每個設(shè)備代表一個智能控制單元(Intelligent Control Unit,ICU)。ICU是集測量與控制功能于一體的設(shè)備,可以采集傳感器的探測值,同時通過繼電器控制用電設(shè)備的通斷。每個ICU具備獨立的物理地址。

(3) 群組。一個群組包含多個信息點。物理層面上的每個群組體現(xiàn)為設(shè)備中的一塊獨立存儲單元,即ICU設(shè)備劃出的特定存儲片區(qū),用于記錄群組內(nèi)的各個信息點,而且每個群組中的所有信息點對應(yīng)所設(shè)計的數(shù)據(jù)倉庫中一張數(shù)據(jù)表的所有項。

(4) 信息點。一個信息點內(nèi)含多個基本屬性。

基于XML的數(shù)據(jù)描述方式,使智能建筑系統(tǒng)的信息獲取流程趨于標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化,是與數(shù)據(jù)倉庫建立信息對接的基礎(chǔ)。

3數(shù)據(jù)倉庫的糾錯

從信息可靠度和容錯率的角度出發(fā),隨著入庫數(shù)據(jù)的日積月累,會出現(xiàn)某個偶然時刻數(shù)據(jù)丟包、傳輸失敗或數(shù)據(jù)出錯的情況。缺失或錯誤數(shù)據(jù)的增加與信息分析工作的難度成正相關(guān),因此數(shù)據(jù)倉庫必須具備容災(zāi)和糾錯的能力。本文重點討論如何在信息傳輸流前端預(yù)防,以及在后端修正數(shù)據(jù)倉庫中的錯漏數(shù)據(jù)。

3.1觸發(fā)器

技術(shù)路線上主要使用SQL Server數(shù)據(jù)庫中的Trigger觸發(fā)器,從源端入庫的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過觸發(fā)器歸類、篩選后方可正常存儲。同樣,通過在觸發(fā)器中合理設(shè)置閾值,可以把明顯錯誤的數(shù)據(jù)予以剔除。

3.2系統(tǒng)服務(wù)

采用Windows Server服務(wù),并結(jié)合以下算法,定期掃描數(shù)據(jù)倉庫中的錯漏信息并予以修復(fù)。

修復(fù)算法根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢進行合理預(yù)測和修補,抑制動態(tài)隨機誤差[13]，測量設(shè)備隨機產(chǎn)生的對軌跡的可信度和平滑度產(chǎn)生一定影響的誤差。可以通過如下步驟實現(xiàn)平滑處理。

S1:始端5個測量數(shù)據(jù)點xi,xi+1,xi+2,xi+3,xi+4,xi+5(i=1,2,…,n)不予處理,從第6點開始進入步驟S2。

S2:建立對比的基準(zhǔn)方程。

Δxi+1=xi+1-4xi+2+6xi+3-xi+4+xi+5

(1)

S3:判斷。令δ1為3倍數(shù)據(jù)序列隨機誤差,若Δxi+1<δ1,則判定xi+1,xi+2,xi+3,xi+4,xi+5無錯誤數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)入S7,否則進入S4。

S4:計算Δxi=xi-4xi+1+6xi+2-xi+3+xi+4,若Δxi<δ1,則xi+5為閾值,選擇xi+6,xi+7,xi+8,xi+9,xi+10,重新進入S1,否則進入S5。

S5:令δ2為3倍數(shù)據(jù)隨機誤差再加上過程偏移量,對xi+1,xi+2,xi+3,xi+4,xi+5,xi+6進行篩選:

S6:對于新加入的點均按S5執(zhí)行篩選操作。任意未通過篩選的點將被校正后再進入S4。通過上述篩選步驟后進入S7。

S7:對篩選的5個數(shù)據(jù)點進行預(yù)估:

(2)

若連續(xù)出現(xiàn)5個閾值點,則需要重新返回S1,以保證未出現(xiàn)嚴(yán)重的連續(xù)數(shù)據(jù)錯誤。

若考慮提高運行效率和簡化校正算法,估量值為

(3)

其中i為泛義周期,對于溫度/濕度等慣性系數(shù)較大的參數(shù),可將周期i適當(dāng)增大;對于電能消耗等慣性系數(shù)較小的參數(shù),則應(yīng)相應(yīng)減小i,以求得最接近實際值xi的估量值。

若仍存在部分噪聲,則進一步采用一階滯后濾波器進行消除:

(4)

4實際應(yīng)用案例

以華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院東二樓的綠色智能示范平臺為例,利用提出的算法對數(shù)據(jù)倉庫進行優(yōu)化。電能表讀數(shù)對比如圖1所示。

圖1　電能表讀數(shù)對比

對記錄的某段較長時間的溫度和耗能數(shù)據(jù),生成以時間、記錄值為維度的二維圖形,如圖2所示。由圖2可見,數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)曲線連續(xù)、平滑,消除了不合理的跳變數(shù)據(jù),具有實際工程意義。

圖2　數(shù)據(jù)倉庫數(shù)據(jù)曲線

5結(jié)語

何鏡堂院士曾在北京大學(xué)“建筑創(chuàng)新與創(chuàng)作實踐”的講座上提出“兩觀三性”的理念,強調(diào)了建筑設(shè)計的可持續(xù)發(fā)展觀和時代性,這與樓宇智能化技術(shù)的蓬勃發(fā)展是一致的?，F(xiàn)代建筑特別是公共建筑的總體發(fā)展趨勢是復(fù)雜化、大型化、綜合化和智能化,且由此引發(fā)了建筑能耗急劇上升和能源緊缺等一系列問題[14]。在這種形勢下,基于智能化技術(shù)的建筑能源管理和能耗計量關(guān)系到智能建筑的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展[15],而智能建筑系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)倉庫管理是保證其實施效果和系統(tǒng)完整的必要一環(huán)[16-17]。目前僅提出初步的節(jié)能策略,如何對建筑物的能耗模型進行建模和深度分析,提升建筑節(jié)能的效果,需要進一步考察和深化。

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捕捉行業(yè)熱點引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展

學(xué)術(shù)交流的園地產(chǎn)品推介的平臺

Research on Optimization Strategy of Data Warehouse in Intelligent Building System

HUANGGuangwei

(Architectural Design & Research Institute of South China University of Technology,Guangzhou 510640, China)

Abstract：The establishment of intelligent building system is the foundation for building energy saving,and the data warehouse is the basis to ensure the operating efficiency of intelligent system.This paper introduced the data warehouse including infrastructure construction,contents configuration,data correction and other steps.By adding a reasonable algorithm and optimized intelligent strategy,the error correcting capability of data warehouse was enhanced.The possible error data from the source were prevented and eliminated.It was ensured that the scheduling,operation and maintenance,management and energy saving of equipments which are based on the analysis results various algorithms and multi-subsystem model,are possible.The experimental results show its effectiveness.

Key words:intelligent building; data warehouse; optimization strategy; restoration algorithm

收稿日期：2015-06-16

中圖分類號：TU 201.5

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-8417(2016)02-0047-04

*基金項目:重大科技專項計劃(2011Y1-00009)